Seit dem 20. Jahrhundert ist die Menschheit fasziniert davon, den Weltraum zu erkunden und zu verstehen, was sich jenseits der Erde befindet.Große Organisationen wie die NASA und die ESA waren Vorreiter bei der Erforschung des Weltraums, und ein weiterer wichtiger Akteur bei dieser Eroberung ist der 3D-Druck.Aufgrund der Möglichkeit, komplexe Teile schnell und kostengünstig herzustellen, erfreut sich diese Konstruktionstechnologie in Unternehmen immer größerer Beliebtheit.Es ermöglicht die Erstellung vieler Anwendungen, etwa von Satelliten, Raumanzügen und Raketenkomponenten.Tatsächlich wird laut SmarTech erwartet, dass der Marktwert der additiven Fertigung in der privaten Raumfahrtindustrie bis 2026 2,1 Milliarden Euro erreichen wird. Dies wirft die Frage auf: Wie kann der 3D-Druck Menschen dabei helfen, im Weltraum hervorragende Leistungen zu erbringen?
Ursprünglich wurde der 3D-Druck hauptsächlich für das Rapid Prototyping in der Medizin-, Automobil- und Luft- und Raumfahrtindustrie eingesetzt.Mit zunehmender Verbreitung der Technologie wird sie jedoch zunehmend für Endzweckkomponenten eingesetzt.Die additive Metallfertigungstechnologie, insbesondere L-PBF, hat die Herstellung einer Vielzahl von Metallen mit Eigenschaften und Haltbarkeit ermöglicht, die für extreme Weltraumbedingungen geeignet sind.Auch andere 3D-Drucktechnologien wie DED, Binder Jetting und Extrusionsverfahren werden bei der Herstellung von Luft- und Raumfahrtkomponenten eingesetzt.In den letzten Jahren sind neue Geschäftsmodelle entstanden, wobei Unternehmen wie Made in Space und Relativity Space 3D-Drucktechnologie zur Entwicklung von Luft- und Raumfahrtkomponenten nutzen.
Relativity Space entwickelt 3D-Drucker für die Luft- und Raumfahrtindustrie
3D-Drucktechnologie in der Luft- und Raumfahrt
Nachdem wir sie nun vorgestellt haben, werfen wir einen genaueren Blick auf die verschiedenen 3D-Drucktechnologien, die in der Luft- und Raumfahrtindustrie eingesetzt werden.Zunächst ist anzumerken, dass die additive Metallfertigung, insbesondere L-PBF, in diesem Bereich am weitesten verbreitet ist.Bei diesem Verfahren wird Metallpulver mithilfe von Laserenergie Schicht für Schicht verschmolzen.Es eignet sich besonders für die Herstellung kleiner, komplexer, präziser und individueller Teile.Auch Luft- und Raumfahrthersteller können von DED profitieren, bei dem Metalldraht oder -pulver abgeschieden wird und hauptsächlich zur Reparatur, Beschichtung oder Herstellung kundenspezifischer Metall- oder Keramikteile verwendet wird.
Im Gegensatz dazu eignet sich das Binder-Jetting-Verfahren zwar hinsichtlich der Produktionsgeschwindigkeit und der niedrigen Kosten, ist jedoch nicht für die Herstellung leistungsstarker mechanischer Teile geeignet, da es Nachbearbeitungsschritte zur Verstärkung erfordert, die die Herstellungszeit des Endprodukts verlängern.Die Extrusionstechnologie ist auch in der Weltraumumgebung wirksam.Zu beachten ist, dass nicht alle Polymere für den Einsatz im Weltraum geeignet sind, Hochleistungskunststoffe wie PEEK jedoch aufgrund ihrer Festigkeit einige Metallteile ersetzen können.Allerdings ist dieses 3D-Druckverfahren noch nicht sehr weit verbreitet, kann aber durch den Einsatz neuer Materialien zu einem wertvollen Hilfsmittel für die Weltraumforschung werden.
Laser Powder Bed Fusion (L-PBF) ist eine weit verbreitete Technologie im 3D-Druck für die Luft- und Raumfahrt.
Potenzial von Weltraummaterialien
Die Luft- und Raumfahrtindustrie hat neue Materialien durch 3D-Druck erforscht und innovative Alternativen vorgeschlagen, die den Markt revolutionieren könnten.Während Metalle wie Titan, Aluminium und Nickel-Chrom-Legierungen schon immer im Mittelpunkt standen, könnte bald ein neues Material die Aufmerksamkeit auf sich ziehen: Mondregolith.Mondregolith ist eine Staubschicht, die den Mond bedeckt, und die ESA hat die Vorteile der Kombination mit 3D-Druck demonstriert.Advenit Makaya, ein leitender Fertigungsingenieur der ESA, beschreibt Mondregolith als ähnlich wie Beton, der hauptsächlich aus Silizium und anderen chemischen Elementen wie Eisen, Magnesium, Aluminium und Sauerstoff besteht.Die ESA hat sich mit Lithoz zusammengetan, um kleine Funktionsteile wie Schrauben und Zahnräder unter Verwendung von simuliertem Mondregolith mit ähnlichen Eigenschaften wie echtem Mondstaub herzustellen.
Die meisten Prozesse bei der Herstellung von Mondregolith nutzen Wärme, wodurch es mit Technologien wie SLS und Pulverbindungsdrucklösungen kompatibel ist.Die ESA nutzt auch die D-Shape-Technologie mit dem Ziel, feste Teile herzustellen, indem sie Magnesiumchlorid mit Materialien mischt und es mit Magnesiumoxid kombiniert, das in der simulierten Probe enthalten ist.Einer der wesentlichen Vorteile dieses Mondmaterials ist seine feinere Druckauflösung, die es ermöglicht, Teile mit höchster Präzision herzustellen.Diese Funktion könnte zum wichtigsten Vorteil bei der Erweiterung des Anwendungsspektrums und der Herstellungskomponenten für zukünftige Mondbasen werden.
Mondregolith ist überall
Es gibt auch Mars-Regolith, was sich auf unterirdisches Material bezieht, das auf dem Mars gefunden wurde.Derzeit können internationale Raumfahrtagenturen dieses Material nicht bergen, was Wissenschaftler jedoch nicht davon abgehalten hat, sein Potenzial in bestimmten Luft- und Raumfahrtprojekten zu erforschen.Forscher verwenden simulierte Proben dieses Materials und kombinieren es mit einer Titanlegierung, um Werkzeuge oder Raketenkomponenten herzustellen.Erste Ergebnisse deuten darauf hin, dass dieses Material eine höhere Festigkeit bietet und Geräte vor Rost und Strahlenschäden schützt.Obwohl diese beiden Materialien ähnliche Eigenschaften haben, ist Mondregolith immer noch das am häufigsten getestete Material.Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass diese Materialien vor Ort hergestellt werden können, ohne dass Rohstoffe von der Erde transportiert werden müssen.Darüber hinaus ist Regolith eine unerschöpfliche Materialquelle, die dazu beiträgt, Knappheit zu verhindern.
Die Anwendungen der 3D-Drucktechnologie in der Luft- und Raumfahrtindustrie
Die Einsatzmöglichkeiten der 3D-Drucktechnologie in der Luft- und Raumfahrtindustrie können je nach eingesetztem Verfahren unterschiedlich sein.Beispielsweise können mittels Laser-Pulverbettschmelzen (L-PBF) komplizierte kurzfristige Teile wie Werkzeugsysteme oder Weltraumersatzteile hergestellt werden.Launcher, ein in Kalifornien ansässiges Startup, nutzte die Saphirmetall-3D-Drucktechnologie von Velo3D, um sein E-2-Flüssigkeitsraketentriebwerk zu verbessern.Das Verfahren des Herstellers wurde zur Herstellung der Induktionsturbine verwendet, die eine entscheidende Rolle bei der Beschleunigung und dem Antrieb von LOX (flüssigem Sauerstoff) in die Brennkammer spielt.Turbine und Sensor wurden jeweils im 3D-Druckverfahren gedruckt und anschließend zusammengebaut.Diese innovative Komponente verleiht der Rakete einen größeren Flüssigkeitsfluss und einen größeren Schub und macht sie zu einem wesentlichen Bestandteil des Triebwerks
Velo3D trug zum Einsatz der PBF-Technologie bei der Herstellung des E-2-Flüssigkeitsraketentriebwerks bei.
Die additive Fertigung hat ein breites Anwendungsspektrum, einschließlich der Herstellung kleiner und großer Strukturen.Beispielsweise können 3D-Drucktechnologien wie die Stargate-Lösung von Relativity Space zur Herstellung großer Teile wie Raketentreibstofftanks und Propellerblätter eingesetzt werden.Relativity Space hat dies durch die erfolgreiche Produktion der Terran 1 bewiesen, einer fast vollständig 3D-gedruckten Rakete, einschließlich eines mehrere Meter langen Treibstofftanks.Der erste Start am 23. März 2023 demonstrierte die Effizienz und Zuverlässigkeit additiver Fertigungsverfahren.
Die extrusionsbasierte 3D-Drucktechnologie ermöglicht auch die Herstellung von Teilen aus Hochleistungsmaterialien wie PEEK.Bauteile aus diesem Thermoplast wurden bereits im Weltraum getestet und im Rahmen der Mondmission der VAE auf dem Rover Rashid platziert.Der Zweck dieses Tests bestand darin, die Widerstandsfähigkeit von PEEK gegenüber extremen Mondbedingungen zu bewerten.Bei Erfolg kann PEEK möglicherweise Metallteile in Situationen ersetzen, in denen Metallteile brechen oder Materialien knapp sind.Darüber hinaus könnten die leichten Eigenschaften von PEEK bei der Weltraumforschung von Wert sein.
Mithilfe der 3D-Drucktechnologie können vielfältige Teile für die Luft- und Raumfahrtindustrie hergestellt werden.
Vorteile des 3D-Drucks in der Luft- und Raumfahrtindustrie
Zu den Vorteilen des 3D-Drucks in der Luft- und Raumfahrtindustrie gehört ein verbessertes endgültiges Erscheinungsbild der Teile im Vergleich zu herkömmlichen Konstruktionstechniken.Johannes Homa, CEO des österreichischen 3D-Druckerherstellers Lithoz, erklärte: „Diese Technologie macht Teile leichter.“Aufgrund der Designfreiheit sind 3D-gedruckte Produkte effizienter und benötigen weniger Ressourcen.Dies wirkt sich positiv auf die Umweltauswirkungen der Teileproduktion aus.Relativity Space hat gezeigt, dass die additive Fertigung die Anzahl der für die Herstellung von Raumfahrzeugen erforderlichen Komponenten erheblich reduzieren kann.Für die Terran-1-Rakete wurden 100 Teile eingespart.Darüber hinaus bietet diese Technologie erhebliche Vorteile bei der Produktionsgeschwindigkeit, da die Rakete in weniger als 60 Tagen fertiggestellt ist.Im Gegensatz dazu könnte die Herstellung einer Rakete mit herkömmlichen Methoden mehrere Jahre dauern.
Im Hinblick auf das Ressourcenmanagement kann der 3D-Druck Materialien einsparen und in einigen Fällen sogar die Wiederverwertung von Abfällen ermöglichen.Schließlich könnte die additive Fertigung ein wertvoller Beitrag zur Reduzierung des Startgewichts von Raketen werden.Ziel ist es, die Nutzung lokaler Materialien wie Regolith zu maximieren und den Materialtransport innerhalb von Raumfahrzeugen zu minimieren.Dadurch ist es möglich, nur einen 3D-Drucker mitzuführen, der nach der Reise alles vor Ort erstellen kann.
Made in Space hat bereits einen seiner 3D-Drucker zum Testen ins All geschickt.
Einschränkungen des 3D-Drucks im Weltraum
Obwohl der 3D-Druck viele Vorteile bietet, ist die Technologie noch relativ neu und weist Einschränkungen auf.Advenit Makaya erklärte: „Eines der Hauptprobleme bei der additiven Fertigung in der Luft- und Raumfahrtindustrie ist die Prozesskontrolle und -validierung.“Hersteller können das Labor betreten und die Festigkeit, Zuverlässigkeit und Mikrostruktur jedes Teils vor der Validierung testen, ein Prozess, der als zerstörungsfreie Prüfung (NDT) bezeichnet wird.Dies kann jedoch sowohl zeitaufwändig als auch teuer sein, weshalb das ultimative Ziel darin besteht, den Bedarf an diesen Tests zu reduzieren.Die NASA hat kürzlich ein Zentrum zur Lösung dieses Problems eingerichtet, das sich auf die schnelle Zertifizierung von Metallkomponenten konzentriert, die durch additive Fertigung hergestellt werden.Ziel des Zentrums ist es, mithilfe digitaler Zwillinge Computermodelle von Produkten zu verbessern, die Ingenieuren helfen sollen, die Leistung und Einschränkungen von Teilen besser zu verstehen, einschließlich der Frage, wie viel Druck sie vor dem Bruch aushalten können.Auf diese Weise möchte das Zentrum dazu beitragen, die Anwendung des 3D-Drucks in der Luft- und Raumfahrtindustrie zu fördern und ihn im Wettbewerb mit traditionellen Fertigungstechniken effektiver zu machen.
Diese Komponenten wurden umfassenden Zuverlässigkeits- und Festigkeitstests unterzogen.
Andererseits ist der Verifizierungsprozess anders, wenn die Herstellung im Weltraum erfolgt.Advenit Makaya von der ESA erklärt: „Es gibt eine Technik, bei der die Teile während des Druckens analysiert werden.“Mit dieser Methode lässt sich feststellen, welche Druckerzeugnisse geeignet sind und welche nicht.Darüber hinaus gibt es ein Selbstkorrektursystem für 3D-Drucker, die für den Weltraum gedacht sind und an Metallmaschinen getestet werden.Dieses System kann potenzielle Fehler im Herstellungsprozess erkennen und seine Parameter automatisch ändern, um etwaige Mängel am Teil zu korrigieren.Diese beiden Systeme sollen die Zuverlässigkeit von Druckerzeugnissen im Weltraum verbessern.
Zur Validierung von 3D-Drucklösungen haben NASA und ESA Standards etabliert.Diese Standards umfassen eine Reihe von Tests zur Bestimmung der Zuverlässigkeit von Teilen.Sie denken über die Pulverbettfusionstechnologie nach und aktualisieren sie für andere Prozesse.Allerdings bieten auch viele große Akteure der Materialindustrie wie Arkema, BASF, Dupont und Sabic diese Rückverfolgbarkeit an.
Leben im Weltraum?
Mit der Weiterentwicklung der 3D-Drucktechnologie haben wir viele erfolgreiche Projekte auf der Erde gesehen, die diese Technologie zum Bau von Häusern nutzen.Wir fragen uns daher, ob dieses Verfahren in naher oder ferner Zukunft zum Bau bewohnbarer Strukturen im Weltraum eingesetzt werden könnte.Während das Leben im Weltraum derzeit unrealistisch ist, kann der Bau von Häusern, insbesondere auf dem Mond, für Astronauten bei der Durchführung von Weltraummissionen von Vorteil sein.Das Ziel der Europäischen Weltraumorganisation (ESA) ist der Bau von Kuppeln auf dem Mond aus Mondregolith, aus denen Mauern oder Ziegel gebaut werden können, um Astronauten vor Strahlung zu schützen.Laut Advenit Makaya von der ESA besteht Mondregolith zu etwa 60 % aus Metall und zu 40 % aus Sauerstoff und ist ein wesentliches Material für das Überleben von Astronauten, da es eine endlose Sauerstoffquelle darstellen kann, wenn es aus diesem Material gewonnen wird.
Die NASA hat ICON einen Zuschuss in Höhe von 57,2 Millionen US-Dollar für die Entwicklung eines 3D-Drucksystems zum Aufbau von Strukturen auf der Mondoberfläche gewährt und arbeitet außerdem mit dem Unternehmen zusammen, um einen Mars Dune Alpha-Lebensraum zu schaffen.Ziel ist es, die Lebensbedingungen auf dem Mars zu testen, indem Freiwillige ein Jahr lang in einem Habitat leben und die Bedingungen auf dem Roten Planeten simulieren.Diese Bemühungen stellen entscheidende Schritte zur direkten Konstruktion 3D-gedruckter Strukturen auf dem Mond und dem Mars dar, die schließlich den Weg für die Besiedlung des Weltraums durch Menschen ebnen könnten.
In ferner Zukunft könnten diese Häuser das Überleben des Lebens im Weltraum ermöglichen.
Zeitpunkt der Veröffentlichung: 14.06.2023